№8 / 2018 / статья 5

Мультикоптеры с управлением Infineon – от игрушек до профессиональных инструментов

Венката Ананд Прабхала, Зигфрид Крайнер, Майкл Томас (Infineon Technologies)

Спектр применения мультикоптеров – от простой съемки местности с воздуха до поставок товаров и предметов первой необходимости. Процесс их активного внедрения сопровождается усиленными мерами госрегулирования, ведь полеты мультикоптеров должны проходить в безопасных и контролируемых условиях. Компания Infineon предлагает решение для управления мультикоптером на основе собственной элементной базы.

В то время как профессиональные авиаконструкторы уделяли большое внимание решению аэродинамических и механических задач, быстрое развитие микроэлектроники на основе МЭМС было сосредоточено на проектировании электронной системы управления мультикоптером. Использование модели электронного управления позволяет повышать аэродинамическую устойчивость, совершенствовать летные характеристики и маневренность.

Мультикоптеры обеспечивают новые возможности для беспилотных летательных аппаратов. С коммерческой точки зрения, наибольший интерес представляет бортовая видеокамера, которая позволяет реализовать функцию «следуй за мной» и автономную навигацию.

Стремительное развитие этой технологии сопровождается столь же оперативными изменениями законодательных норм и правил применения. Многие страны, включая США, Германию и Великобританию, ограничивают места и возможности запуска мультикоптеров, а также определяют требования по их использованию и лицензированию, особенно для тех, кто планирует использовать мультикоптеры для коммерческой доставки мелких грузов.

Законодательство в значительной степени определяет развитие технологии. Никому не нужны мультикоптеры, падающие с неба или сталкивающиеся с высотными зданиями, линиями электропередач или, самое страшное, с воздушными авиалайнерами. Первоочередное внимание уделяется системам питания, управления двигателями, датчикам и видеокамерам, способным обеспечить длительный, безопасный и контролируемый полет.

Оперативные системные решения

На рисунке 1 представлены основные электронные блоки профессионального мультикоптера. Основная разница между игрушечными и профессиональными дронами заключается в надежности системы управления. Профессиональный мультикоптер, помимо способности выполнять трюки, должен нести на борту полезную нагрузку, например, систему машинного зрения, которая предполагает обработку видеоданных, управление камерой и выполнение иных функций, интегрированных в систему управления.

Рис. 1. Обзор основных электронных систем типового мультикоптера

Рис. 1. Обзор основных электронных систем типового мультикоптера

Одним из наиболее простых, быстрых и безопасных вариантов создания типовой системы управления мультикоптера является использование преимуществ векторного управления (Field Oriented Control, FOC). Примером такой комплексной системы является представленная на рисунке 2 демонстрационная плата мультикоптера производства Infineon, имеющая систему управления XMC4500 и контроллер двигателя iMOTION™. Платы управления электродвигателями подключаются к разъемам основной платы и могут легко меняться. Таким образом, становится возможным быстрое сравнение производительности различных двигателей и вариантов FOC.

Рис. 2. Оценочная плата мультикоптерной системы

Рис. 2. Оценочная плата мультикоптерной системы

Ядром такой системы является 32-разрядный микроконтроллер для управления полетом XMC4500 на базе ARM® Cortex™-M4. Для легкого запуска проектов эта демо-версия работает на ПО с открытым исходным кодом Cleanflight, содержащим достаточно полный набор инструментария.

Используя демонстрационную плату, можно реализовать 6- или 9-осевые режимы отслеживания движения, а стандартные интерфейсы и разъемы инерциального измерительного модуля (ИИМ) дают разработчикам комфортное ощущение работы с уже знакомыми системами. Благодаря применению демонстрационной платы XMC4500 и платформы DAVE™ для программирования микроконтроллера сроки разработки проекта и стоимость могут быть сокращены сразу на 30%. Кроме того, во время полета микросхемы OPTIGA™ Trust B или OPTIGA™ Trust X для двунаправленной аутентификации с использованием асимметричного шифрования на основе эллиптических кривых обеспечивают аппаратную аутентификацию.

Значения высоты с высокой точностью и высоким разрешением измеряются датчиком давления DPS310. Радарная система, работающая на частоте 24 ГГц может использоваться для управления мультикоптером, а также для измерения скорости приближения и перемещения окружающих объектов. Прокладывание маршрута следования обеспечивает встроенная система GPS.

Микроконтроллер XMC1400 формирует основу системы управления с обратной связью для работы видеокамеры, бортовых угловых датчиков и привода двигателей, что значительно упрощает разработку профессиональных систем воздушного наблюдения.

Управление двигателем и питанием

Точная регулировка каждого двигателя в мультикоптере с четырьмя, шестью или большим количеством воздушных винтов абсолютно необходима для того чтобы контролировать высоту, направление и скорость воздушного аппарата. При этом конструкция не должна быть избыточной, особенно в мультикоптерах с малым количеством несущих винтов, а управление двигателем должно быть достаточно эффективным для обеспечения высоких летных характеристик.

Бесщеточными электродвигателями постоянного тока можно управлять с помощью трапециевидной, синусоидальной или векторной (FOC) коммутации. FOC – это метод математического векторного управления двигателями переменного тока и бесщеточными моделями постоянного тока. Ключевой вехой в развитии мультикоптеров стало использование крупными производителями векторных систем управления. Бессенсорная технология FOC, особенно для высокоскоростных двигателей, достаточно сложна в реализации. Однако FOC способствует повышению КПД и снижению пульсаций крутящего момента/вибраций, что имеет решающее значение для функционирования видеокамеры. Компания Infineon предлагает три концепции для управления FOC, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Обзор систем Infineon для управления двигателем

Наименование IFX-XMC (МК) IFX-IRMCK (ASIC) IFX-Auto
Алгоритм BLC/FoC FoC BLC/FoC
Контроллер ARM-M0 XMC1302 ASIC IRMCK099 ARM-M3 TLE9879
Драйвер Внешний IR2301S Интегрированный силовой модуль Интегрированный (МК)
Инвертор 3 полумоста (BSC0925ND) 3 силовых модуля (IR3472) 3 полумоста (BSC0925ND)
Оценка позиции Напряжение/ток (двойной шунт) Ток (один шунт) Ток (один шунт)

В зависимости от степени гибкости программирования, используются три основных варианта:

  • универсальная система;
  • специализированные микросхемы (ASIC) с драйверами на дискретных компонентах и мощными транзисторами в полумостовой схеме (или мощные выходные каскады с интегрированными драйверами);
  • семейство TLE987x с интегральными драйверами и полумостовыми транзисторными сборками.

По сравнению с системами на основе XMC1302, типовые решения на базе IRMCK и TLE предлагают специализированное оборудование и ПО для прецизионного векторного (FOC) управления. Эти демонстрационные платы подходят для дронов Infineon Larix.

На рисунке 3 представлена блок-схема высокоэффективной системы FOC, применяемой ведущими производителями мультикоптеров. Специализированная микросхема IRMCK099 содержит адаптивную систему Tiny Motion Control Engine (TinyMCE) для бессенсорного управления электродвигателями с высокой динамикой и крутящим моментом во всем диапазоне скоростей, сочетающую ПО и аппаратную реализацию от Infineon. Простой в использовании контроллер электродвигателя iMOTION™ позволяет операторам с небольшим опытом управления быстро научиться пилотированию.

Рис. 3. Высокоэффективная система управления мультикоптера с использованием FOC

Рис. 3. Высокоэффективная система управления мультикоптера с использованием FOC

У компании Infineon есть два варианта векторного управления на базе IRMCK099 и TLE987x с интегрированными драйверами.

Определение ключевых компонентов алгоритмов управления, таких как оценка угла, возложено на выделенные блоки управления. Специализированная микросхема обработки сигнала заменяет большинство внешних компонентов, в том числе аналого-цифровой преобразователь, аналоговые усилители, компаратор превышения тока, сторожевой таймер и внутренний тактовый генератор, что снижает полетный вес и упрощает схему. Команды изменения скорости могут поступать через вход UART, входы частоты и напряжения (VSP), или являться параметрами рабочего цикла.

Если требуется повышенная степень гибкости и интеграции, следует обратить внимание на семейство TLE987x, в котором Infineon объединил богатый опыт создания автомобильных управляющих драйверов со всеми преимуществами стандартного ядра МК (рисунок 4). Данное семейство предлагает масштабируемую Flash-память, а микроконтроллер с высокой рабочей частотой ядра поддерживает широкий спектр алгоритмов управления двигателем, как с датчиками, так и без датчиков.

Рис. 4. Типовое решение Infineon TLE987x включает LDO, МК и выполнено по автомобильным стандартам Infineon

Рис. 4. Типовое решение Infineon TLE987x включает LDO, МК и выполнено по автомобильным стандартам Infineon

Новое семейство ИМС Infineon Embedded Power поддерживает полный набор инструментов разработки от Infineon и сторонних поставщиков. Комплект инструментов включает в себя компилятор, отладчик, оценочную плату, драйвер низкого уровня LIN и инструмент настройки, а также пример программного кода для Motor Control. При использовании полумостового OptiMOS™ (два транзистора в одном корпусе, например, BSC0925) возможно применение электронной системы регулирования скорости. Сборки силовых транзисторов для IRMC099 (силовые транзисторы и управляющие драйверы в одном корпусе) являются эффективными решениями с минимальным количеством внешних компонентов.

Выпущенная впервые в отрасли по автомобильным стандартам и технологии Infineon Smart Power 130 нм встроенная система питания на кристалле демонстрирует непревзойденный уровень интеграции, соотношения системной производительности и затрат.

Датчики и видеонаблюдение

С расширением коммерческого использования мультикоптеров и появлением дорогих моделей реальностью стали полеты дронов за пределами видимости. Возможность измерения высоты и обнаружения объектов на пути или близко к траектории полета важна для профессиональных мультикоптеров.

Обнаружение объектов становится все более востребованной задачей. Радиолокационные системы в автомобилях помогают поддерживать расстояние до едущего впереди транспортного средства. Разработчики стремятся использовать эту стандартную и надежную технологию для того чтобы обеспечить простую в реализации систему в сложных профессиональных мультикоптерах.

Хотя частота 24 ГГц имеет ограниченное пространственное разрешение, она уже применятся в системах обхода препятствий и контроля скорости приземления. Первые шаги в использовании радиолокационной технологии поможет сделать демонстрационный набор (рисунок 5), включающий:

  • самый миниатюрный из популярных наборов для разработки в диапазоне ISM 24 ГГц;
  • BGT24MTR11 – монолитную СВЧ ИМС на 24 ГГц повышенной степени интеграции;
  • XMC4200 ARM® Cortex®-M4 – 32-битный промышленных микроконтроллер;
  • отладку с 10-контактным разъемом Cortex®;
  • наличие режима пониженного энергопотребления;
  • интегрированную печатную антенну.
Рис. 5. Радарный демо-комплект на 24 ГГц

Рис. 5. Радарный демо-комплект на 24 ГГц

Как и на всех летательных аппаратах, сочетание датчиков и расширенные методы фильтрации играют важную роль в реализации надежного блока управления ориентацией Cleanflight, обрабатывающего все измеренные сигналы от IMU (инерционное измерительное устройство), датчика давления DPS310, радаров и других датчиков. Благодаря совместимости Cleanflight с демо-платой мультикоптера Infineon Larix доступна и простая в использовании платформа для анализа системы.

Проблемы безопасности

Относительно новой концепцией является энергетическая безопасность. Неразрешенные к применению или неоригинальные аккумуляторные батареи могут подвергать опасности сами мультикоптеры, а также причинить ущерб имуществу и вред оператору или посторонним лицам. Современные требования к профессиональным мультикоптерам предусматривают интеллектуальную систему управления питанием, гарантирующую эксплуатацию БПЛА только с подходящими аккумуляторами. Компания Infineon предлагает популярное решение ORIGA™ для проверки подлинности аккумуляторных батарей.

Заключение

Дроны являются перспективной технологией с широким спектром использования: от состязаний в скорости, проводимых с использованием систем FPV (First Person View) до доставок грузов и наблюдения за удаленными объектами. Компания Infineon поставляет более 50 компонентов для создания мультикоптеров. По мере того как мультикоптеры завоевывают рынок, эти компоненты, используемые совместно с соответствующими типовыми проектами и инструментами отладки, позволяют ускоренно проектировать, разрабатывать и развертывать системы, удовлетворяющие профессиональных пользователей.

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее